论文部分内容阅读
AlN半导体薄膜的亚稳立方结构相比其稳定的六方相具有独特的性质，如高度的晶体对称性有望降低光子散射和掺杂难度、(001)生长方向不存在极化电场等，是极具潜力的光电子和微电子材料。但是，立方 A1N的亚稳特性使得其薄膜的外延生长十分困难。激光分子束外延是一种优异的非平衡成膜技术，非常适用于亚稳AlN的外延生长。因此本论文采用该技术在MgO衬底上制备立方AlN薄膜，系统研究了衬底温度、激光能量、激光频率和N2分压对薄膜晶体结构和表面形貌的影响，揭示了薄膜的能带结构和光电特性，并分析了薄膜的表面演变机制，主要研究结果如下：
1.衬底温度在650～750℃、激光能量在80～150mJ/p时，在MgO(100)衬底上均制备出了(200)单一择优取向的立方AlN薄膜，其中衬底温度为700℃、激光能量为150mJ/p时，立方AlN薄膜的结晶质量和表面形貌最好。
2.当N2分压为0.01Pa时，AlN薄膜以非晶态结构存在；N2分压在0.1～10Pa范围时，AlN薄膜呈立方(200)面择优取向，随着N2分压的增加立方AlN薄膜的结晶取向变差。激光频率在5～9Hz范围时，立方AlN薄膜呈单一的(200)择优取向，且随着频率的增加，薄膜的横向振动吸收出现宽化。在10Hz时，AlN薄膜呈六方纤锌矿结构。因此，MgO(100)衬底上制备立方AlN薄膜的优化工艺参数为：衬底温度为700℃，激光能量为150mJ/p，N2分压为0.1Pa，激光频率为5Hz。
3.在优化工艺条件下制备的立方AlN薄膜与衬底的取向关系为AlN(100)[100]‖MgO(100)[100]，其光学电子禁带宽度为5.06eV，介电常数约为8.2。
4.立方AlN薄膜的表面演变分析表明，随着沉积时间的增加薄膜呈Stranski-Krastanov生长模式。在沉积初期，AlN原子倾向于优先沉积在衬底台阶处，表面粗糙度略有增加。随后，薄膜表面变得起伏不平，出现三维岛状AlN。在接下来的三维岛状生长中，表面粗糙度快速上升，而且在岛的顶部可以观察到明显的缺口，随着沉积时间的继续延长，由于岛的扩展与合并，缺口逐渐闭合。沉积2h时，我们获得了粗糙度为1.06nm的光滑表面。